红外吸收光谱与核磁共振谱的简介

2024-08-20 百科知识版权反馈

【摘要】：实验十一红外吸收光谱和核磁共振谱简介（一）红外吸收光谱简介有机化合物的各种官能团在红外光谱中都具有特征吸收带，红外光谱已成为解决有机化合物结构和化学鉴定的最有效的工具之一。目前红外光谱仪已发展到小型化和操作简便化，应用日益广泛。当用一束红外光照射某一物质时，该物质的分子吸收一部分光能，并将其转变为分子的振动能量和转动能量，透过的光经单色器色散后得到一条谱带。

实验十一　红外吸收光谱和核磁共振谱简介

（一）红外吸收光谱简介

有机化合物的各种官能团在红外光谱（infrared absorption spectroscopy, IR）中都具有特征吸收带，红外光谱已成为解决有机化合物结构和化学鉴定的最有效的工具之一。目前红外光谱仪已发展到小型化和操作简便化，应用日益广泛。

当用一束红外光照射某一物质时，该物质的分子吸收一部分光能，并将其转变为分子的振动能量和转动能量，透过的光经单色器色散后得到一条谱带。以波长λ或波数σ为横坐标，表示吸收峰的位置；以吸光度（A）或透光率（T）为纵坐标，表示吸收强度。将谱带记录下来，即可得到该物质的红外光谱图。

1.红外光谱仪

红外光谱仪分为色散型和干涉型两种。目前较普遍使用的多为色散型红外光谱仪，主要由三个基本部分组成，即红外光源、单色器和检测器，另外还有样品仓或特殊的样品分析装置、滤光器和放大记录系统。随着计算机技术的迅速发展，人工智能已经植入红外光谱的操作和分析系统，实现了计算机控制的软件操作、采样操作、系统诊断、谱图解析及帮助提示功能的同步一体化和高度自动化，使得测试工作快速、方便、准确。

2.红外光谱的测定方法

红外光谱测定的一大优点就是对气态、液态和固态样品都能够进行分析。由于金属卤化物不吸收红外线，所以常用KBr、NaCl制样品池和分光棱镜。对于日本岛津IR408简易红外光谱仪，卤化物可以使用大块晶体，也可以使用晶体粉末（先在玛瑙研钵中与固体样品一起研成粉末，装入模具，在压片机上施加8t的压力3min～5min，得到用以测试的透明薄片。这里要注意的是，模具放入压片机时一定要放正，施加压力不应超过9t，以防止模具变形）。

用红外光谱对气体样品进行测定可用气体槽（先将槽内气体抽净，然后通入气体样品）。对于较高沸点的液体样品，可取1mg～10mg滴在两块卤化物盐片中间进行测定。对于低熔点的固体，可将其熔化后在卤化物盐片上进行测定，称为液膜法。对于固体样品，一般有三种方法：一是石蜡油法，用石蜡油作为分散剂，将固体样品磨成糊状后夹在两卤盐片之间进行测定，用该法应注意石蜡油本身在3030cm^-1～2830cm^-1和1357cm^-1附近有吸收；二是溶液法，采用厚度为0.1mm～0.2mm的固定槽，选择合适的溶剂溶解样品，然后进行测定；三是最常用的溴化钾压片法，取0.5mg～2.0mg固体样品与100mg～300mgKBr研磨压成透明薄片进行测定，但须注意，样品纯度要高，而且溴化钾易吸水，使薄片不透明，影响透光率。

近年来，一次性的红外样品测试卡已经应用于红外光谱的样品分析。这种方便的红外样品测试卡的载样区为直径19mm含聚乙烯（PE）或聚四氟乙烯（PTFE）的微孔膜圆片。PE和PTFE膜是化学稳定性的，可用于4000cm^-1～400cm^-1的红外分析，但对样品3200cm^-1～2800cm^-1之间的脂肪族C-H伸缩振动有影响。所用的样品一般为含有0.5mg固体样品或5μL有机溶液。用滴管将溶解的样品滴在薄膜上，几分钟后待溶液在室温下挥发后即可测定。非挥发性的液体也可用该方法进行测定。目前比较先进的Niclet～Avator360全新智能型FT～IR仪配有标准取样附件和样品池，针对不同类型的样品，插入相应的智能软件即可测定。例如它的欧米采样器（OM～NIsampler）可用于各种常规方法难以应付的样品，如微量样品、难以制样的样品、强吸收不透光的样品等。

实验测试完毕后，应将玛瑙研钵、刮刀和模具接触样品部件用丙酮擦洗，红外灯烘干，冷却后放入干燥器中。红外光谱仪应在切断电源、光源冷却至室温后，关好光源窗。样品池或样品仓应卸除，以防止样品污染或腐蚀仪器。最后将仪器盖上罩，登记和记录操作时间和仪器状况，经指导教师允许方可离去。

3.红外光谱图的解析

（1）谱图解析的一般步骤

①根据分子式，从公式可计算未知物的不饱和度。通过计算不饱和度可估计分子结构中是否有双键、三键或芳香环等由此可验证光谱解析结构是否合理。

②根据未知物的红外光谱图找出主要的强吸收峰。按照有简单到复杂的顺序，习惯上把中红外区分成以下五个区域来分析：

●4000cm^-1～2500cm^-1。这是X－H（X包括C、N、O、S等）伸缩振动区。主要的吸收基团有羟基、胺基、烃基等。

●2500cm^-1～2000cm^-1。这是三键和累积双键（-C≡C-、-C≡N、-C＝C＝C、-N＝C＝O等）的伸缩振动区。

●2000cm^-1～1500cm^-1。这是双键伸缩振动区，也是红外谱图中很主要的区域。在这个区域中重要的有羰基（C＝O）吸收、碳-碳双键（C＝C）吸收、苯环的骨架振动及C＝N、N＝O等基团的吸收。

●1500cm^-1～1300cm^-1。该区主要提供C－H弯曲振动的信息。

●1300cm^-1～400cm^-1。该区又称为指纹区。这个区域中有单键的伸缩振动、分子的骨架振动及反映取代类型的苯环和烯烃面外碳氢弯曲振动等的吸收。

在解析谱图时，可以从4000cm^-1～1500cm^-1的官能团区入手，找出该化合物存在的官能团，然后到指纹区找这些基团的吸收峰，再根据指纹区的吸收情况进一步验证该基团与其他基团的结合方式。又如一化合物在1600cm^-1～1500cm^-1有吸收峰（苯环的骨架振动），在3100cm^-1～3000cm^-1有吸收峰（苯环的C-H伸缩振动），可判断为芳环化合物，再根据900cm^-1～600cm^-1区的吸收峰位置可确定芳环的取代情况。(www.chuimin.cn)

③通过标准图谱验证解析结果的正确性。

（2）红外光谱解析要点及注意事项

①在解析红外光谱图时，要同时注意红外吸收峰的位置、强度和峰形。吸收峰的位置（即吸收峰的波数值）无疑是红外光谱吸收最重要的特点。但同时必须综合吸收峰强度和峰形来分析。

②注意同一基团有几种振动吸收峰的相互印证。对任意一个官能团来讲，由于存在伸缩振动和多种弯曲振动，因此在红外光谱图的不同区域显示出几个相关的吸收峰。所以，只有当几处应该出现吸收峰的地方都呈现吸收峰时，方能得出该官能团的存在的结构。

③判断化合物是饱和还不是饱和。以3000cm^-1为界，可判断化合物是饱和还是不饱和的，芳烃、烯烃、炔烃的C－H在3000cm^-1以上，而烷烃的C－H在3000cm^-1以下。

④注意区别和排除非样品谱带的干扰。要区别的排除可能出现的非样品本身吸收的假谱带（例如水、CO₂的吸收等）及微量杂质存在对样品红外光谱造成的影响。

从谱图书中主要吸收峰得到组成分子的各基团及它们的互相间的连接情况后，就可以推测可能结构式，然后将样品谱图与标准谱图集中相关的化合物谱图进行对照，核对推测的结构是否正确。如果样品是新化合物，在标准谱图集中找不到它的标准图，则需要与核磁共振、质谱图等结合起来进行综合光谱解析才能确定其结构。值得一提的是在红外光谱图中不是每一个峰都能找到其归属。有许多的谱峰，特别是指纹区的谱图，是很难找到它的归属的。

（二）核磁共振谱简介

1.核磁共振谱

核磁共振谱（nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR）是有机化合物结构分析的重要方法。该技术取决于有机物被置于磁场中时所表现的特定核的核自旋性质。在有机化合物中所发现的这些核一般是1H、¹³C、¹⁹F、¹⁵N和31P，所有具有磁矩的原子核（即自旋量子数l＞0）都能产生核磁共振。而12C、¹⁶O和32S没有核自旋，不能用NMR谱来研究。在有机化学中最有用的是氢核和碳核，组成有机化合物的元素中，氢是不可缺少的元素，氢同位素中，¹H质子的天然丰度比较大，磁性也比较强，比较容易测定。

常用的NMR仪频率有60MHz，磁场强度H₀为1.41mT；200MHz，H₀为4.70mT；500MHz（超导NMR仪），H₀为11.75mT。目前900MHz的超导NMR仪已经问世，这将对有机化学、生物化学和药物化学的发展发挥重要的作用，并成为化学家、生物学家、物理学家以及医学家等研究者不可或缺的重要工具。在有机化学研究领域中，核磁共振谱较其他波谱更为重要，主要用于结构测定和确证。

2.核磁共振样品的制备

核磁共振测定一般使用配有塑料塞子的标准玻璃样品管。样品量一般为5mg～10mg溶质溶于0.5mL～100mL溶剂中。对于黏度不大的液体有机化合物，可以不用溶剂直接测定。对具有一定黏度的液体化合物样品，最好在溶剂条件下测定。一个非常简便的加溶剂方法就是采用目测法，先加入1/5体积的被测物质，然后加入4/5的溶剂，加上塞子后摇匀进行测定。

对于固体有机化合物一定要选择合适的溶剂，溶剂不能含有氢质子，最常用的有机溶剂是CCl₄。随着被测物质极性的增大，就要选择氘代的溶剂CDCl₃或D₂O。如果这些溶剂不适用时，一些特殊的氘代溶剂如CD₃OD、CD₃COCD₃、C₆D₆、DMSO-d₆和DMF-d₇等都可用来进行测定。如果有机样品对酸性不敏感，可用三氟乙酸作溶剂（其δ＞12），不干扰其他质子的吸收。值得注意的是，这些溶剂常常导致化学位移与在CCl₄和CDCl₃测定条件下的偏差。但是这种偏差有时可能有利于分开由CCl₄和CDCl₃引起重叠形成的吸收峰。以便从谱图中识别出溶剂峰常用氘代溶剂核磁共振1H信号见表2-3。

表2-3　常用氘代溶剂核磁共振1H信号

3.核磁共振谱解析

请参阅：

1.《有机化学实验》，兰州大学、复旦大学化学系有机教研室编，王清廉，沈凤嘉修订，高等教育出版社，1994年

2.《有机化合物结构鉴定与有机波谱学》，宁永成，北京清华大这出版社,1989

红外吸收光谱与核磁共振谱的简介

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